《過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表》課件 -第一章 過(guò)程控制系統(tǒng)

過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表2第一章過(guò)程控制系統(tǒng)了解過(guò)控系統(tǒng)的組成、分類和品質(zhì)指標(biāo)。能簡(jiǎn)單使用MATLAB軟件。了解本課程定位及學(xué)習(xí)方法。3了解過(guò)程控制技術(shù)的開環(huán)、閉環(huán)概念。124過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表31.1引言

所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加設(shè)備或控制裝置使生產(chǎn)過(guò)程或被控對(duì)象中的某一物理量或多個(gè)物理量自動(dòng)地按照期望的規(guī)律去運(yùn)行或變化。所謂過(guò)程控制，是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表4冶金工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表5冶金工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表6石油化工工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表7石油化工工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表88石油化工工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表9電力工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表10建材工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表11供水工程過(guò)程控制應(yīng)用過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表12樓宇供電供水電梯消防空調(diào)過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表131.1引言自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展階段1）20世紀(jì)50年代，單輸入單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)，多采用基地式儀表、氣動(dòng)組合儀表和氣動(dòng)儀表控制器來(lái)完成簡(jiǎn)單控制。2）20世紀(jì)60年代，集中控制及直接數(shù)字控制。電動(dòng)儀表開始使用，并逐步取代氣動(dòng)儀表，單元組合式儀表和組裝式儀表。3）20世紀(jì)70年代，集散控制系統(tǒng)（DCS）。先進(jìn)控制技術(shù)、數(shù)字化儀表、計(jì)算機(jī)，特別是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，體現(xiàn)“分散控制，集中管理”的理念。4）近30多年來(lái)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、各種集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）不斷涌現(xiàn)，人工智能技術(shù)如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法等也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。

過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表141.2開環(huán)與閉環(huán)的概念開環(huán)控制：不設(shè)反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制：設(shè)有反饋環(huán)節(jié)開環(huán)控制閉環(huán)控制過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表151.2開環(huán)與閉環(huán)的概念1.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式。它的特點(diǎn)是，僅有從輸入到輸出的前向通路，而沒有從輸出到輸入的反饋通路。缺點(diǎn)：控制精度取決于組成系統(tǒng)的元件的精度，因此對(duì)元器件的要求比較高。由于輸出量不能反饋回來(lái)影響控制部分，所以輸出量受擾動(dòng)信號(hào)的影響比較大，系統(tǒng)抗干擾能力差。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表16直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制當(dāng)調(diào)節(jié)電位器的滑臂位置時(shí)，可以改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表171.2開環(huán)與閉環(huán)的概念1.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)不僅有一條從輸入端到輸出端的前向通路，還有一條從輸出端到輸入端的反饋通路。輸出量通過(guò)一個(gè)測(cè)量變送元件反饋到輸入端，與輸入量比較后得到偏差信號(hào)來(lái)作為控制器的輸入，反饋的作用是減小偏差，以達(dá)到滿意的控制效果。閉環(huán)控制又稱為反饋控制。如果輸入量和反饋量相減則稱為負(fù)反饋；反之，若二者相加，則稱為正反饋。控制系統(tǒng)中一般采用負(fù)反饋方式。輸入量與反饋量之差稱為偏差信號(hào)。系統(tǒng)的輸出量能夠自動(dòng)地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動(dòng)信號(hào)的影響。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表18直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制在原來(lái)開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)由測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的反饋回路，該回路檢測(cè)輸出轉(zhuǎn)速的變化并作反饋。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表191.3過(guò)程控制系統(tǒng)的組成貯槽液位控制人工控制自動(dòng)控制典型過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表20過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表211.3過(guò)程控制系統(tǒng)的組成過(guò)程控制系統(tǒng)一般由自動(dòng)化裝置及生產(chǎn)裝置兩部分組成。1）被控對(duì)象——又稱被控過(guò)程，是需要控制其工藝變量的生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。2）變送器——將被控制的物理量檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成工業(yè)儀表間的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)—信號(hào)。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表221.3過(guò)程控制系統(tǒng)的組成過(guò)程控制系統(tǒng)一般由自動(dòng)化裝置及生產(chǎn)裝置兩部分組成。3）控制器——又稱為調(diào)節(jié)器。其作用是根據(jù)反饋量與輸入量比較得出的偏差，按一定的規(guī)律運(yùn)算后對(duì)執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)或指令的裝置。4）執(zhí)行器——其作用是依據(jù)控制器發(fā)出的控制信號(hào)或指令，改變操縱變量，從而對(duì)被控對(duì)象產(chǎn)生直接的控制作用。生產(chǎn)裝置----被控對(duì)象過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表23換熱器被控對(duì)象：在自動(dòng)化系統(tǒng)中，將需要控制其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。壓縮機(jī)精餾塔現(xiàn)場(chǎng)儀表----檢測(cè)儀表過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表24測(cè)溫元件孔板節(jié)流元件壓力(差壓)變送器光電檢測(cè)元件現(xiàn)場(chǎng)儀表----執(zhí)行器過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表25165電磁閥氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥繼電器繼電器插座控制裝置過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表26可編程調(diào)節(jié)器計(jì)算機(jī)控制裝置集散控制系統(tǒng)(DCS)可編程控制器(PLC)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)(FCS)過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表271.3過(guò)程控制系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的各種作用量1）被控變量——是表征生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程運(yùn)行狀況，需要加以控制的變量，也是過(guò)程控制系統(tǒng)的輸出量。2）設(shè)定值——又稱給定值，是工藝要求被控變量需要達(dá)到的目標(biāo)值，也是過(guò)程控制系統(tǒng)的輸入量。3）測(cè)量值——是檢測(cè)元件與變送器的輸出信號(hào)值，也稱反饋量。4）擾動(dòng)量——又稱干擾或“噪聲”，通常是指引起被控變量發(fā)生變化的各種因素。5）操縱變量——受執(zhí)行器操縱，具體實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。6）偏差——通常把設(shè)定值與測(cè)量值之差稱作偏差。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表281.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.1過(guò)程控制系統(tǒng)的分類1．定值控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中，如果要求控制系統(tǒng)使被控變量保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求工藝參數(shù)的設(shè)定值不變，這類控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。2．隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定值是一個(gè)未知變化量的控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)的目的是使被控變量準(zhǔn)確快速地跟隨著設(shè)定值的變化而變化。這類控制系統(tǒng)又稱為自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。3．程序控制系統(tǒng)也稱順序控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的設(shè)定值是時(shí)間的已知函數(shù)，即設(shè)定值按一定的時(shí)間順序變化。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表291.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.2過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)態(tài)：各個(gè)信號(hào)保持不變，被控變量不隨時(shí)間變化而變化的平衡狀態(tài)。動(dòng)態(tài)：生產(chǎn)過(guò)程受到擾動(dòng)時(shí)，被控變量隨時(shí)間變化而變化的不平衡狀態(tài)。過(guò)程控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程稱為過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表301.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.2過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)渡過(guò)程的基本形式過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表311.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.3過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)可概括為“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快”

平穩(wěn)：“穩(wěn)”即系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，這也是最重要、最基本的需求。準(zhǔn)確：“準(zhǔn)”是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差。迅速：“快”是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。穩(wěn)定性靜態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo)過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表321.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類和品質(zhì)指標(biāo)1.4.3過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)（1）余差C

（2）衰減比n

（3）最大偏差A(yù)或超調(diào)量σ（4）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)整時(shí)間）ts（5）峰值時(shí)間tp（6）振蕩周期T

過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表331.5過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求1.5.1過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1）系統(tǒng)由被控對(duì)象與系列化生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表組成。2）被控對(duì)象復(fù)雜多樣，通用控制系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)。3）控制方案豐富多彩，控制要求越來(lái)越高。4）控制過(guò)程大多屬于慢變過(guò)程與參量控制。5）定值控制系統(tǒng)是過(guò)程控制系統(tǒng)的主要形式。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表341.5過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求1.5.2過(guò)程控制系統(tǒng)的要求（1）安全性整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，人身安全和設(shè)備安全是控制系統(tǒng)中最重要和最基本的要求。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，通常采用越限報(bào)警、事故報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)等措施來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。（2）穩(wěn)定性工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中存在各種各樣的干擾以及生產(chǎn)原料的變化和波動(dòng)，如何有效地抑制或減小系統(tǒng)外部干擾，保持生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)的又一要求。（3）經(jīng)濟(jì)性隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇和世界能源及原材料的匱乏，在滿足安全性和穩(wěn)定性的前提下，要求控制系統(tǒng)低成本、高效益。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表351.6MATLAB軟件MATLAB是MatrixLaboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的英文縮寫。它是由美國(guó)MathWorks公司于1982年推出的一個(gè)軟件包。它從數(shù)值與矩陣運(yùn)算開始，經(jīng)過(guò)不斷更新與擴(kuò)充，已成為一個(gè)功能強(qiáng)、效率高、有著完善的數(shù)值分析、強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、復(fù)雜的信息處理和完美的圖形顯示等多種功能的軟件包；它有著一個(gè)方便實(shí)用、界面友好的、開放的用戶環(huán)境，可以很方便地進(jìn)行科學(xué)分析和工程計(jì)算。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表361.6MATLAB軟件1.6.1MATLAB界面簡(jiǎn)介過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表371.6MATLAB軟件命令窗口常用控制命令

命令涵義命令涵義cd設(shè)置當(dāng)前工作目錄edit打開M文件編輯器clf清除圖形窗exit關(guān)閉/退出MATLABclc清除命令窗口的顯示內(nèi)容mkdir創(chuàng)建目錄clear清除MATLAB工作空間保存的變量quit關(guān)閉/退出MATLABdir列出指定目錄下的文件和子目錄清單type顯示指定M文件的內(nèi)容過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表381.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作1．?dāng)?shù)值的表示MATLAB的數(shù)值采用十進(jìn)制，可以帶小數(shù)點(diǎn)或負(fù)號(hào)。2．變量命名規(guī)定1）變量名、函數(shù)名：字母大小寫表示不同的變量名。2）變量名的第一個(gè)字母必須是英文字母，最多可包含31個(gè)字符。3）變量名不得包含空格、標(biāo)點(diǎn)，但可以有下連字符。0-1000.00812.7521.8e-68.2e52舉例舉例A和a表示不同的變量名A21是合法的變量名，而3A21是不合法的變量名。“A_b21”是合法變量名，而“A，21”是不合法的。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表391.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作3．基本運(yùn)算符數(shù)學(xué)表達(dá)式MATLAB運(yùn)算符MATLAB表達(dá)式加a+b+a+b減a

b

a

b乘a

b*a*b除a

b/或\a/b或a\b冪ab^a^b過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表401.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作4．表達(dá)式MATLAB書寫表達(dá)式的規(guī)則與“手寫算式”幾乎完全相同。1）表達(dá)式由變量名、運(yùn)算符和函數(shù)名組成。2）表達(dá)式將按相同的優(yōu)先級(jí)從左向右執(zhí)行運(yùn)算。3）優(yōu)先級(jí)規(guī)定為：指數(shù)運(yùn)算級(jí)別最高，乘除運(yùn)算次之，加減運(yùn)算級(jí)別最低。4）括號(hào)可以改變運(yùn)算的次序。舉例過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表411.6MATLAB軟件1.6.2MATLAB軟件的基本概念及操作6．繪制二維圖形（1）在二維圖形繪制中，最基本的指令是plot（）函數(shù)。如果用戶將x和y軸的兩組數(shù)據(jù)分別在向量x和y中存儲(chǔ)，且它們的長(zhǎng)度相同，則調(diào)用該函數(shù)的格式為plot(x,y)（2）在圖形上加注網(wǎng)格線、圖形標(biāo)題、x軸與y軸標(biāo)記繪制多條曲線時(shí)，plot（）的格式為plot(x1,y1,x2,y2……)grid(加網(wǎng)格線)；title(加圖形標(biāo)題)；xlabel(加x軸標(biāo)記)；y1abel(加y軸標(biāo)記)。過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表42舉例輸入以下命令>>t=0:0.1:4*pi>>plot(t,sin(t))>>grid>>title('正弦曲線')>>xlabel('time')>>ylabel('sin(t)')過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表431.6MATLAB軟件1.6.3MATLAB軟件在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例閉環(huán)傳遞函數(shù)繪制該系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線的MATLAB程序?yàn)閚um=[8]den=[1,4,8,8]step(num,den)gridonxlabel('t/s'),ylabel